預(yù)應(yīng)力碳纖維板技術(shù)在公路橋梁加固中的應(yīng)用

李 瀚

（中鐵四局第四工程有限公司，安徽 合肥 230009）

1 預(yù)應(yīng)力碳纖維板簡介

目前，在橋梁加固的領(lǐng)域經(jīng)常使用到的碳纖維板粘貼工藝屬于被動加固，碳纖維板材自身不施加預(yù)應(yīng)力。預(yù)應(yīng)力碳纖維板技術(shù)對傳統(tǒng)粘貼碳纖維加固技術(shù)進(jìn)行了改進(jìn)，與傳統(tǒng)的碳纖維板粘貼工藝相比，預(yù)應(yīng)力碳纖維板技術(shù)能夠充分發(fā)揮碳纖維板的高強(qiáng)度特性，而且預(yù)應(yīng)力可以讓碳纖維板錨固體系的應(yīng)變滯后程度得到更好的改善。

碳纖維板的抗拉強(qiáng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼筋，可達(dá)到鋼筋的10倍左右。預(yù)應(yīng)力碳纖維板技術(shù)可以讓碳纖維板在承擔(dān)結(jié)構(gòu)傳遞荷載應(yīng)力之前處于一個比較高的應(yīng)力水平，預(yù)先就支配了一定程度的強(qiáng)度，這樣就可以讓碳纖維板高強(qiáng)度的性能更加充分地發(fā)揮出來。此外，平衡結(jié)構(gòu)的一部分恒載更好地增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的剛度，可以在很大程度上延緩裂縫開展并減小裂縫的寬度，更好地提高結(jié)構(gòu)的承載能力。

2 預(yù)應(yīng)力碳纖維板的優(yōu)缺點

碳纖維具有高強(qiáng)度、高模量、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、導(dǎo)電和傳熱等多種特性，屬于高新技術(shù)的產(chǎn)品，目前主要用在先進(jìn)復(fù)合材料的制備上。在工程建筑方面，碳纖維板材和構(gòu)件內(nèi)部鋼筋在一起工作的時候，不考慮鋼筋原來的初始應(yīng)變、鋼筋屈服，混凝土結(jié)構(gòu)就已經(jīng)發(fā)生了破壞，所以發(fā)揮出來的強(qiáng)度很低。傳統(tǒng)的不加預(yù)應(yīng)力的碳纖維加固混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)不能夠?qū)⒗w維增強(qiáng)復(fù)合材料的高強(qiáng)度特性發(fā)揮出來，造成了材料的浪費(fèi)。而預(yù)應(yīng)力碳纖維板錨固體系可以很好地解決這個問題，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料對碳纖維施加了預(yù)應(yīng)力，可以有效地避免碳纖維片材的應(yīng)變滯后現(xiàn)象，有效地發(fā)揮出了碳纖維板的強(qiáng)度，提高了結(jié)構(gòu)承載能力。和其他的一些加固方式相比較，預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾點：

（1）高強(qiáng)、高效。預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固技術(shù)充分地將碳纖維材料的高強(qiáng)性能發(fā)揮出來，提高了結(jié)構(gòu)承載力和抗彎剛度，節(jié)約了碳纖維的用量。

（2）重量較小，空間要求也較小。碳纖維的強(qiáng)度高，但是質(zhì)量僅僅是鋼的1/5，基本上不增加原來結(jié)構(gòu)的自重；而且碳纖維板可以盤卷，能夠以比較大的長度供應(yīng)，不需要搭接，也沒有濕作業(yè)，不需要大型的施工機(jī)具，施工所占用的場地很小，在加固完成之后也不影響原來結(jié)構(gòu)的使用空間。

（3）良好的耐久性能和耐腐蝕性能。預(yù)應(yīng)力碳纖維板對酸堿鹽以及大氣環(huán)境都有較高的耐性，不需要經(jīng)常維修。

預(yù)應(yīng)力碳纖維板材加固技術(shù)和傳統(tǒng)技術(shù)相比有著無法比擬的優(yōu)勢，在各個方面的表現(xiàn)都有顯著的效果，但是該技術(shù)也存在一定的缺陷，對其推廣與發(fā)展造成了一定的阻礙。

（1）該技術(shù)的理論研究不夠成熟，在受力性能方面的研究也不夠完善，而且技術(shù)應(yīng)用容易受到溫度等外界因素變化的影響。

（2）材料的成本比較高，選擇低成本的材料無法滿足質(zhì)量的要求。而且該技術(shù)對施工隊伍的要求很高，如果施工隊伍不夠?qū)I(yè)會直接影響施工的質(zhì)量，這對成本也會造成影響。雖然設(shè)計計算的總成本較低，但是因為材料質(zhì)量的影響以及施工隊伍的不規(guī)范，在施工的過程中碳纖維很容易受到損壞。

（3）碳纖維是一種高強(qiáng)度的材料，如果能將其高強(qiáng)度的優(yōu)勢充分發(fā)揮出來，對結(jié)構(gòu)承載力和剛度的提高是非常有利的，并且對其大范圍的應(yīng)用也有很大幫助。但是現(xiàn)在的黏結(jié)劑還無法配合碳纖維的極限發(fā)揮，性能需要提高。

3 預(yù)應(yīng)力碳纖維板施工工藝

3.1 橫向預(yù)應(yīng)力鋼棒加固

將已經(jīng)加工好的鋼支撐構(gòu)件運(yùn)送到施工現(xiàn)場，將操作平臺安裝到各個相應(yīng)的部位，并且按照提前設(shè)計好的方案準(zhǔn)確地對位置進(jìn)行鉆孔。當(dāng)遇到受力鋼筋，確保兩個T型的梁孔眼在同一高度直線上，再適當(dāng)調(diào)整鉆孔位置，確保位置的準(zhǔn)確性，然后安裝好橫向預(yù)應(yīng)力鋼棒，讓鋼棒可以有效地從支撐構(gòu)件的內(nèi)孔穿過去，最后在鋼棒的兩端都安裝上張拉螺母和錨墊板，并擰緊。在安裝之前還需要嚴(yán)格檢查預(yù)應(yīng)力鋼棒的安裝狀態(tài)以及鋼支撐整體構(gòu)件的穩(wěn)定性。安裝時，先安裝鋼絞線張拉連接器和千斤頂張拉撐腳，然后再連接千斤頂和張拉油泵。安裝好后仔細(xì)檢查相關(guān)油壓設(shè)備和油泵油管的密封性能，然后開啟油泵，按照相關(guān)的張拉力進(jìn)行有效的張拉，整個張拉作業(yè)需有效記錄。與此同時，還需向張拉棒保護(hù)鋼管的內(nèi)部注入適量的中性防腐油脂，對張拉棒的兩個頭進(jìn)行一定的防腐處理。

3.2 縱向預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固

施工準(zhǔn)備：（1）對梁構(gòu)件的地面鋼構(gòu)件進(jìn)行準(zhǔn)確有效的定位，根據(jù)設(shè)計的方案確定預(yù)應(yīng)力碳纖維板在加固時固定端的鋼構(gòu)件和張拉端的位置。（2）在運(yùn)送至工地前，按設(shè)計使用長度裁剪預(yù)應(yīng)力碳纖維板。（3）根據(jù)鋼構(gòu)件放置位置對梁底的混凝土保護(hù)層進(jìn)行鑿除工作，使其中的受力鋼筋顯露出來，鑿除后的混凝土表面需平整、無凸起。（4）確定好固定端鋼構(gòu)件和張拉端螺桿鉆孔的位置，進(jìn)行植筋作業(yè)。鉆孔的位置設(shè)置在結(jié)構(gòu)內(nèi)部的鋼筋之間，保證不破壞原來的結(jié)構(gòu)鋼筋。鉆孔的深度約17.5cm，鉆孔的直徑約2.4cm，植入直徑約20mm的高強(qiáng)度螺桿。

施工流程：（1）膠體固化（膠體的固化需要控制在一定的時間和范圍之內(nèi)）后安裝固定端鋼構(gòu)件和張拉端鋼構(gòu)件。固定端鋼構(gòu)件和張拉端鋼構(gòu)件安裝前，應(yīng)根據(jù)種植好的螺桿位置進(jìn)行鋼板的鉆孔工作，并確保張拉端鋼構(gòu)件和固定端鋼構(gòu)件的中心線在同一直線上。安裝時使用專用提升工具提升固定端鋼構(gòu)件和張拉端鋼構(gòu)件，安裝就位后按照相關(guān)的規(guī)定擰固高強(qiáng)度的螺栓，防止后續(xù)出現(xiàn)意外。（2）預(yù)應(yīng)力碳纖維帶的安裝。安裝前需要對表面進(jìn)行處理，確保表面的清潔；仔細(xì)檢查碳纖維帶錨具和固定端；混合攪勻環(huán)氧膠，將膠粘劑攪拌均勻之后涂抹到碳板上和等待加固的梁底面。（3）預(yù)應(yīng)力碳纖維帶的張拉。確保千斤頂位于2個螺桿的中心處，確保千斤頂和加固構(gòu)件的中心線平行，不能離錨固碳纖維帶和張拉端太近，如果有偏差需要及時整改，然后啟動油泵并讓千斤頂頂緊座板和基板。在進(jìn)行張拉的過程中需要先給碳纖維帶施加一個一定力度的初荷載進(jìn)行碳纖維帶的拉直工作，在此期間需仔細(xì)檢查各個部位，確保定位準(zhǔn)確。另外，為了能夠測量碳纖維帶的張拉伸長量，還應(yīng)張拉基板使之固定到初始的位置，并做好標(biāo)記，確保后續(xù)可以快速找到該位置。當(dāng)每一級的張拉結(jié)束之后都應(yīng)該使用扳手?jǐn)Q緊張拉端底座的螺母，并測量張拉的伸長量，做好記錄，方便后續(xù)查詢?？刂坪脧埨膶嶋H伸長量和計算值的偏差，確保在合格范圍之內(nèi)，最大的偏差不能超過1/10。如果超過規(guī)定范圍，應(yīng)及時停止好張拉并仔細(xì)找出原因，不能盲目施工。在預(yù)應(yīng)力碳纖維帶張拉工作結(jié)束之后，用扳手?jǐn)Q緊座板前的螺帽。

4 相關(guān)注意事項

4.1 橫向預(yù)應(yīng)力鋼棒施工

橫向預(yù)應(yīng)力鋼棒施工中還應(yīng)注意以下事項：

（1）橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋的外套管應(yīng)該選擇直徑約32mm、壁厚≥2mm的專業(yè)無縫鋼管，并且需要在套管的內(nèi)部填充中性油脂。

（2）橫向預(yù)應(yīng)力的鋼筋應(yīng)該選擇直徑約25mm的冷拉四級精軋螺紋鋼，并需符合相關(guān)規(guī)定；抗拉強(qiáng)度也有相應(yīng)的規(guī)定，需＜850MPa；在使用前做好冷拉試驗，確保冷拉率＜3%，并將冷拉控制在750MPa以上；冷拉在經(jīng)過時效處理之后才能夠使用。

（3）橫向預(yù)應(yīng)力鋼筋的張拉力應(yīng)該保持在20萬N左右，張拉應(yīng)有一定的順序，先張拉距跨中最近的兩端，然后繼續(xù)對稱張拉其他部分。在張拉過程中應(yīng)仔細(xì)觀察梁體的應(yīng)變，如果出現(xiàn)裂縫或是發(fā)出響聲，應(yīng)立即停止張拉，并仔細(xì)分析出現(xiàn)問題的原因，避免在后續(xù)施工中出現(xiàn)類似問題。

4.2 縱向預(yù)應(yīng)力碳纖維帶施工

縱向預(yù)應(yīng)力碳纖維帶施工的過程有以下注意事項：

（1）梁底的基面應(yīng)確保沒有油脂、浮塵及其他雜物，也不應(yīng)有其他尖銳凸起物質(zhì)。

（2）碳纖維板黏結(jié)膠攪拌均勻后應(yīng)該確保在活性的時間范圍內(nèi)有效使用。

（3）固定端鋼構(gòu)件和張拉端鋼構(gòu)件的中心線應(yīng)處于和加固梁體相互平行的狀態(tài)，并嚴(yán)格控制張拉力。

（4）碳纖維屬于導(dǎo)電材料，應(yīng)避免接觸電源。

（5）固定錨具和張拉端錨具應(yīng)采用工廠自動切割和焊接方法，確保切割的邊緣光滑，無毛刺、咬口現(xiàn)象，錨具的黏合面采用砂輪打磨直至露出金屬光澤。打磨的紋路也有一定的講究，需要和鋼板的受力方向垂直，錨具的黏合面應(yīng)有一定的粗糙度。

（6）控制好溫度，如果溫度較低，應(yīng)利用太陽燈照射，加快固定端粘鋼板膠的固化。

（7）碳纖維板的張拉工作應(yīng)該在未通車狀態(tài)下逐級進(jìn)行，且在每一級完成之后還應(yīng)準(zhǔn)確測量伸長量。

5 總結(jié)

在高速公路、市政道路建設(shè)中，裝配式預(yù)應(yīng)力混凝土梁因設(shè)計、施工、運(yùn)營等方面的原因?qū)е轮髁洪_裂的情況時有發(fā)生，這時橋梁加固工程可以取長補(bǔ)短，延長橋梁的使用壽命，增強(qiáng)橋梁的承載能力，使橋梁更能滿足使用的要求，相比重建也節(jié)省了大量的人力、物力。而預(yù)應(yīng)力碳纖維板加固混凝土梁結(jié)構(gòu)的加固方案，不僅充分利用了碳纖維板的高抗拉強(qiáng)度，恢復(fù)了橋梁的承載能力，而且其耐久性非常好，方便施工，不影響橋面的通車，對橋梁的加固搶修工程來說非常實用，讓橋梁建設(shè)更符合可持續(xù)發(fā)展的策略，更好地為現(xiàn)代運(yùn)輸交通服務(wù)，也給國家?guī)砀蟮慕?jīng)濟(jì)效益和社會效益。